Оптические рефлектометры. Оптические измерители мощности

Оптические рефлектометры действуют по принципу локатора. В линию посылается импульс малой длительности, часть которого распространяясь по волокну, возвращается или рассеивается ко входу вследствие рэлеевского рассеяния и френелевских отражений от неоднородностей ОВ (дефекты волокна, сварки, соединителей и других). Рефлектометр регистрирует отраженный (рассеянный назад) сигнал в координатах: принимаемая мощность - время (расстояние) и измеряет его параметры. Структурная схема оптического рефлектометра представлена на рисунке 1.

ОИС - оптический источник сигнала; НО - направленный ответвитель;

ОС - оптический соединитель; ФП - фотоприемник;

БуиОС - блок усиления и обработки сигнала; РС - регистрирующая система.

ОИС состоит из мощного лазера, который генерирует повторяющиеся импульсы длительностью от 5 до 100нс, мощностью от 100мВт до нескольких Вт, с частотой повторения несколько килогерц, которую задает УУ.

Световые импульсы вводятся в ОВ через ОС. ПОР через ОС иНО поступает на чувствительный ФП, который преобразует оптические импульсы в электрический сигнал. Причем, НО препятствует попаданию светового импульса в ФП до его прохождения по оптическому волокну. После обработки электрического сигнала в БУиОС он подается на вход у осциллографа РС, вызывая в каждый момент времени отклонение луча пропорционально мгновенному значению уровня мощности ПОР. При этом уровень в начальный момент времени Р0 определяется отражением зондирующего сигнала от торца ОВ.

На рисунке 2, представлены две типичные кривые ПОР.

Кривая а соответствует идеальному ОВ и характеризуется плавным уменьшением ПОР. Кривая б характерна для реального ОВ. Начальный выброс О обусловлен френелевским отражением в ОС, соединяющим прибор с ОВ. На однородных участках ОВ кривая представляет собой спадающую экспоненту 1ПОР. Скачки затухания 2 обычно обусловлены дефектами ОВ в местах его сварки. Маленькие инородные включения, а также пузырьки воздуха в волокне вызывают отражение в виде небольших выбросов 3. Интенсивный отраженный сигнал 4 возникает у конца ОВ. При несогласованных разъемах или сращивании ОВ возникают отражения и скачок затухания 5. В случае сварки волокон с различными потоками обратного рассеяния возникает скачок затухания 6, который может быть положительным при большей величине обратного рассеяния второго отрезка по сравнению с первым.

Измерение затухания оптических волокон и оптических кабелей методом обратного рассеяния

По осциллограмме (рефлектограмме), полученной на экране оптического рефлектометра (рисунок 3), можно определить затухание всего волокна или отдельных его участков.

Измерение затухания отрезка ОВ длиной l определяется следующим образом:

1) если ось У проградуирована в единицах мощности, то затухание в дБ определяется по формуле

, (дБ) (1)

а километрическое затухание в (дБ/км) определяется по формуле

, (дБ) (2)

2) если ось у рефлектометра проградуирована в логарифмическом масштабе, то формулы (2.23) и (2.24) приобретают следующий вид

, (дБ) (3)

,(дБ/км) (4)

Измерение дисперсии оптических волокон методом обратного рассеяния.

Измерение дисперсии осуществляется при зондировании ОВ короткими импульсами и наблюдении на экране осциллографа входных и выходных импульсов. На рисунке 5 приведена структурная схема измерения дисперсии.

На конце ОВ устанавливается зеркало, отражающее световой импульс с коэффициентом отражения близким к 1. При измерении дисперсии осциллограф работает в ждущем режиме. Он должен иметь достаточную скорость развертки, позволяющую наблюдать импульсы пико - и наносекундной длительности.

Частота следования импульсов определяется ГЭИ. Входной импульс, отраженный от торца ОВ, задерживается на время прохождения зондирующего импульса до конца волокна и обратно и вместе с отраженным импульсом фиксируется на экране ЭО.

Управление работой ЭО осуществляется с помощью БЗСиУ. Необходимость этого блока обусловлена тем, что длительность измеряемых импульсов для широкополосных систем составляет 3. .8нс, что на 3-4 порядка больше времени задержки входного и выходного импульсов. Поэтому чтобы иметь возможность одновременного наблюдения на экране ЭО входного и выходного импульсов, необходимо иметь точную, практически плавную, регулируемую линию задержки, с помощью которой можно обеспечить задержку входного импульса до момента прихода выходного импульса. Такие функции позволяют обеспечить линии с цифровой задержкой с плавным регулированием задержки. Это позволяет совмещать на экране ЭО фронты входного и выходного импульсов.

Значение дисперсии или уширения импульса определяется по формуле:

, (с/км). (5)

По измеренному значению дисперсии можно определить широкополосность ОВ:

, . (6)

Оптические измерители мощности

ОИМ являются наиболее распространенными приборами при измерениях параметров волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Вместе со стабилизированным источником оптического сигнала их используют для измерения затухания оптических кабелей.

Оптические измерители мощности (ОИМ) строятся на базе специально сконструированных оптических приемников. Как правило, прибор комплектуется несколькими сменными приемниками на разные уровни мощности и длины волн. Эти приемники в основном и определяют метрологические и технические характеристики данного прибора.

Свои особенности имеет измерение мощности лазерного излучения. Как правило, лазерные источники являются мощными, что создает нелинейные эффекты в приемниках. Чтобы их уменьшить перед приемниками устанавливают полупрозрачные зеркала, которые большую часть мощности отражают, а только часть пропускают на приемник.

Структурная схема ОИМ приведена на рисунке 6.

В качестве оптических детекторов (ОД) в основном используются твердотельные фотодиоды. Они должны иметь равномерную частотную характеристику, а также высокую температурную и временную стабильность и малый уровень собственных шумов.

ОД преобразует входной оптический сигнал в электрический, который усиливается и преобразуется к цифровому виду. В сигнальном процессоре производится пересчет полученного электрического сигнала в результаты измерения мощности, которые затем представляются на экране цифрового дисплея.

Основной характеристикой ОИМ является равномерность зависимости выходного сигнала ОД от мощности входного оптического сигнала на разных длинах волн. В зависимости от этого сигнальный процессор должен в большей или меньшей степени компенсировать неравномерность характеристики детектора.

Если ОД обладает хорошими характеристиками, то сигнальный процессор может иметь менее сложную структуру. Поэтому при разработке измерителя всегда решается оптимизационная задача между стоимостью ОД и сложностью и стоимостью сигнального процессора.

В зависимости от модели диапазон измерения мощности находится в пределах от нескольких мкВт до единиц Вт. Погрешность измерения - единицы процента.

Метод прямого измерения затухания, вносимого оптическим кабелем

Схема такого измерения приведена на рисунке 7.

При измерении мощности этим методом измеряется мощность сигнала на входе кабеля Р0 и на его выходе Рl.

По определению, затухание кабеля в дБ и километрическое затухание в дБ/км определяется по формулам:

, (дБ) (7)

, (дБ/км) (8)

На практике обычно проводят измерения не собственного затухания кабеля, а вносимого затухания, которое является суммой собственного затухания кабеля и затуханий в ОС.

Существует две разновидности рассматриваемых метода и схемы измерения затухания:

1) без разрушения кабеля (метод вносимых потерь);

2) с разрушением кабеля (метод обламывания).

Измерение затухания без разрушения кабеля

Этот метод используют для измерения затухания оптических кабелей и отдельных участков ВОЛС в точках, позволяющий подключить источник оптического сигнала и оптический измеритель мощности. Метод дает хорошие результаты, когда значение затухания имеет большое значение от 20 до 40 дБ и более.

В этом случае получается хорошая воспроизводимость результатов. На рисунке 8 представлена схема измерения затухания этим методом.

ИОС источник оптического сигнала;

ОИМ оптический измеритель мощности;

СМ смеситель мод;

ФМО фильтр мод оболочки;

ФП фотоприемник;

РУ регистрирующее устройство.

В качестве ИОС обычно используют полупроводниковый лазер, который генерирует измерительный сигнал постоянной мощности Р0, которая контролируется ОИМ. Генератор накачки лазера определяет параметры измерительного сигнала, который может быть одночастотным (при измерении затухания на одной частоте) или изменяться в заданной полосе частот (при измерении частотной характеристики затухания).

ОС обеспечивает ввод светового сигнала в ОК, а на выходе ОК устанавливается ФП.

Для уменьшения потерь на отражение при соединении кабеля с ФП часто используется иммерсионная жидкость.

Для скорейшей стабилизации модового состава в оптическом волокне на его входе устанавливают СМ и ФМО.

Часто при измерении затухания оптических волокон его определяют в обоих направлениях передачи оптического сигнала, то есть определяют б12 и б21. За результат принимают значение:

Данные измерения используют для выбора направления передачи оптического сигнала по ОК.

Измерение затухания с разрушением кабеля (с обламыванием концов оптического волокна)

Этот метод используется в случае измерения параметров оптических волокон с малыми потерями (1дБ/км и менее).

Схема измерения аналогична представленной на рисунке 2.30. При этом методе применение иммерсионной жидкости, СМ и ФМО становится обязательным.

Измерения проводят в следующей последовательности.

Сначала измеряют значение мощности на выходе ОВ Pl. При малых значениях затухания качество обработки торцов ОВ приобретает большое значение. Поэтому для повышения точности измерения мощности ее измеряют несколько раз, обламывая конец ОВ на несколько сантиметров в точках Х6, Х5 и Х4, как показано на рисунке 10.

3

Перед каждым измерением мощности подготавливают торец волокна, сравнивая измеренные значения мощности Рl4, Рl5,Pl6, можно установить влияние плохо подготовленных торцов или их загрязнение.

В качестве результата измерения Pl выбирают наибольшее из полученных значений Рl4, Рl5,Pl6.

Аналогично измеряется и мощность на входе волокна в точках Х1, Х2, Х3, но на ее значение имеет влияние не только качество подготовленных торцов, но и неполное установление модового состава на входе волокна. Поэтому Р0 измеряют на расстоянии 3-4м от входного торца ОВ. Погрешность измерения этим методом имеет значение порядка 0,1…0,05 дБ.

ЛИТЕРАТУРА

Метрология и электроизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для вузов / А.С. Сигов, Ю.Д. Белик. и др. / Под ред.В.И. Нефедова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2005.

Бакланов И.Г. Технологии измерений в современных телекоммуникациях. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2007.

Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: Учеб. пособие для вузов /Под ред. Б.П. Хромого. - М.: Радио и связь, 2006.